Atomin rakenne oli pitkään kiistanalainen aihe fyysikkojen keskuudessa, kunnes tanskalaisen tiedemiehen Niels Bohrin luoma malli ilmestyi. Hän ei ollut ensimmäinen, joka yritti kuvata subatomisten hiukkasten liikettä, mutta hänen kehitystyönsä mahdollisti johdonmukaisen teorian, joka kykeni ennustamaan alkuainehiukkasen sijainnin kerralla tai toisella.
Elämänpolku
Niels Bohr syntyi 7. lokakuuta 1885 Kööpenhaminassa ja kuoli siellä 18. marraskuuta 1962. Häntä pidetään yhtenä suurimmista fyysikoista, eikä ihme: juuri hän onnistui rakentamaan johdonmukaisen mallin vedyn k altaisista atomeista. Legendan mukaan hän näki unessa, kuinka jokin planeettojen k altainen pyörii tietyn valoisan harvinaisen keskuksen ympärillä. Tämä järjestelmä kutistui sitten rajusti mikroskooppiseen kokoon.
Sittemmin Bohr on etsinyt kovasti tapaa kääntää unelma kaavoiksi ja taulukoiksi. Tutkimalla huolellisesti nykyaikaista fysiikan kirjallisuutta, kokeilemalla laboratoriossa ja ajattelemalla hän onnistui saavuttamaantavoitteet. Edes synnynnäinen ujous ei estänyt häntä julkaisemasta tuloksia: hän hämmentyi puhua suuren yleisön edessä, hän alkoi hämmentyä, eikä yleisö ymmärtänyt tiedemiehen selityksistä mitään.
Prekursorit
Ennen Bohria tutkijat yrittivät luoda atomin mallin klassisen fysiikan postulaattien perusteella. Menestynein yritys kuului Ernest Rutherfordille. Lukuisten kokeiden tuloksena hän tuli johtopäätökseen massiivisen atomiytimen olemassaolosta, jonka ympärillä elektronit liikkuvat kiertoradalla. Koska tällainen malli oli graafisesti samanlainen kuin aurinkokunnan rakenne, planeetan nimi vahvistui sen takana.
Mutta sillä oli merkittävä haittapuoli: Rutherfordin yhtälöitä vastaava atomi osoittautui epävakaaksi. Ennemmin tai myöhemmin elektronien, jotka liikkuivat kiihtyvällä vauhdilla ytimen ympärillä olevilla kiertoradoilla, piti pudota ytimen päälle, ja niiden energia kului sähkömagneettiseen säteilyyn. Bohrille Rutherfordin mallista tuli lähtökohta oman teoriansa rakentamisessa.
Bohrin ensimmäinen postulaatti
Bohrin tärkein innovaatio oli klassisen newtonilaisen fysiikan käytön kieltäminen atomiteorian rakentamisessa. Tutkittuaan laboratoriossa saatuja tietoja hän tuli siihen tulokseen, että niin tärkeä sähködynamiikan laki kuin tasaisesti kiihtynyt liike ilman a altosäteilyä ei toimi alkuainehiukkasten maailmassa.
Hänen pohdiskelunsa tuloksena oli laki, joka kuulostaa tältä: atomijärjestelmä on stabiili vain, jos se on jossakin mahdollisista paikallaan olevista(kvantti)tilat, joista jokainen vastaa tiettyä energiaa. Tämän lain, jota muuten kutsutaan kvanttitilojen postulaatiksi, tarkoitus on tunnistaa sähkömagneettisen säteilyn puuttuminen, kun atomi on sellaisessa tilassa. Myös seuraus ensimmäisestä postulaatista on energiatasojen olemassaolon tunnistaminen atomissa.
Taajuussääntö
Oli kuitenkin ilmeistä, että atomi ei voi aina olla samassa kvanttitilassa, koska stabiilius kieltää kaiken vuorovaikutuksen, mikä tarkoittaa, että siinä ei olisi universumia eikä liikettä. Näennäinen ristiriita ratkaistiin Bohrin atomirakennemallin toisella postulaatilla, joka tunnetaan taajuussäännönä. Atomi pystyy siirtymään kvanttitilasta toiseen vastaavalla energian muutoksella emittoimalla tai absorboimalla kvantin, jonka energia on yhtä suuri kuin paikallaan olevien tilojen energioiden välinen ero.
Toinen postulaatti on myös ristiriidassa klassisen sähködynamiikan kanssa. Maxwellin teorian mukaan elektronin liikkeen luonne ei voi vaikuttaa sen säteilyn taajuuteen.
Atomspektri
Bohrin kvanttimalli mahdollisti atomin spektrin huolellisen tutkimuksen. Tiedemiehet olivat pitkään hämmentyneitä siitä, että taivaankappaleiden spektrejä tutkimalla saadun odotetun jatkuvan värialueen sijaan atomin spektrogrammi oli epäjatkuva. Kirkkaanväriset viivat eivät virtaaneet toisiinsa, vaan erottivat ne vaikuttavat tummat alueet.
Teoria elektronien siirtymisestä yhdestä kvanttitilasta toiseentoinen selitti tämän oudon. Kun elektroni siirtyi energiatasolta toiselle, missä siitä tarvittiin vähemmän energiaa, se emittoi kvantin, joka heijastui spektrogrammiin. Bohrin teoria osoitti välittömästi kyvyn ennustaa lisämuutoksia yksinkertaisten atomien, kuten vedyn, spektrissä.
Epäkohdat
Bohrin teoria ei täysin rikkonut klassista fysiikkaa. Hän säilytti edelleen ajatuksen elektronien kiertoradalla ytimen sähkömagneettisessa kentässä. Ajatus kvantisoinnista siirtymisen aikana kiinteästä tilasta toiseen täydensi menestyksekkäästi planeettamallia, mutta ei silti ratkaissut kaikkia ristiriitoja.
Vaikka Bohrin mallin valossa elektroni ei voinut mennä kierteiseen liikkeeseen ja pudota ytimeen, säteileen jatkuvasti energiaa, jäi epäselväksi, miksi se ei voinut nousta peräkkäin korkeammalle energiatasolle. Tässä tapauksessa kaikki elektronit päätyisivät ennemmin tai myöhemmin alhaisimpaan energiatilaan, mikä johtaisi atomin tuhoutumiseen. Toinen ongelma olivat atomispektrien poikkeavuudet, joita teoria ei selittänyt. Vuonna 1896 Peter Zeeman suoritti uteliaan kokeen. Hän asetti atomikaasun magneettikenttään ja otti spektrogrammin. Kävi ilmi, että jotkut spektriviivat jakautuivat useiksi. Tällaista vaikutusta ei selitetty Bohrin teoriassa.
Vetyatomimallin rakentaminen Bohrin mukaan
Kaikista teoriansa puutteista huolimatta Niels Bohr pystyi rakentamaan realistisen mallin vetyatomista. Tässä tehdessään hän käytti taajuussääntöä ja klassisen lakejamekaniikka. Bohrin laskelmat elektronien kiertoradan mahdollisten säteiden määrittämiseksi ja kvanttitilojen energian laskemiseksi osoittautuivat varsin tarkiksi ja vahvistettiin kokeellisesti. Sähkömagneettisten a altojen emissio- ja absorptiotaajuudet vastasivat spektrogrammien tummien aukkojen sijaintia.
Näin ollen vetyatomin esimerkkiä käyttäen todistettiin, että jokainen atomi on kvanttijärjestelmä, jolla on erilliset energiatasot. Lisäksi tiedemies onnistui löytämään tavan yhdistää klassista fysiikkaa ja hänen postulaattejaan vastaavuusperiaatteella. Siinä sanotaan, että kvanttimekaniikka sisältää Newtonin fysiikan lait. Tietyissä olosuhteissa (esimerkiksi jos kvanttiluku oli tarpeeksi suuri) kvanttimekaniikka ja klassinen mekaniikka lähentyvät. Tämän osoitti se tosiasia, että kvanttiluvun kasvaessa spektrin tummien aukkojen pituus pieneni täydelliseen häviämiseen asti, kuten newtonilaisten käsitteiden valossa odotettiin.
Merkitys
Vastaavuusperiaatteen käyttöönotosta on tullut tärkeä väliaskel kohti erityisen kvanttimekaniikan olemassaolon tunnustamista. Bohrin atomimallista on tullut monille lähtökohta luotaessa tarkempia teorioita subatomisten hiukkasten liikkeistä. Niels Bohr ei löytänyt tarkkaa fysikaalista tulkintaa kvantisointisäännölle, mutta hän ei myöskään pystynyt tekemään tätä, koska alkuainehiukkasten a altoominaisuudet havaittiin vasta ajan myötä. Louis de Broglie täydentäen Bohrin teoriaa uusilla löydöillä osoitti, että jokainen kiertorata,jota elektroni liikuttaa, on ytimestä etenevä a alto. Tästä näkökulmasta katsoen atomin stationaarista tilaa alettiin pitää sellaisena, että se muodostuu siinä tapauksessa, että a alto, joka on tehnyt täydellisen kierroksen ytimen ympäri, toistuu.